Электромагнитные колебания: свойства и шкала. От радио до рентгена

Сегодня мы расскажем, что такое электромагнитные колебания, как их открыли и почему они настолько важны в жизни людей.

Мрамор и свет

Как ни странно, история изучения фотонов света началась в Древней Греции. Любопытство ученых ушедших эпох заставляло их задавать вопросы:

1. Что такое материя?
2. Почему дерево отличается от камня?
3. Как живые существа видят?
4. Чем солнце отличается от луны?

Но инструменты древнего мира были весьма примитивными. Человеку приходилось опираться на собственные чувства, а выводы делать исключительно с помощью абстрактных умозаключений. Один ученый заметил, что мраморные плиты, на которые ступают много ног, со временем изменяют форму. Ступени на всех общественных зданиях, например, храмах, форумах, стадионах приходилось периодически менять. А значит, каждая нога уносит какую-то частицу камня с собой. Понимание, что вещество состоит из мельчайших частиц, привело к такому понятию, как «электромагнитные колебания».

Электричество и компас

В 1820 году датский ученый Эрстед обнаружил, что магнит меняет положение полюсов рядом с включенным в сеть проводником. Компас люди использовали веками, электричество было недавним открытием. Наличие связи между ними стало на тот момент сенсацией. Опыты продолжил Фарадей. Этот ученый не только доказал тесную связь между магнитными и электрическими полями, но еще и установил: ток вызывает оба поля. Таким образом, было выяснено, что электромагнитные колебания генерируются движущимися зарядами.

Свойства электромагнитных волн

Еще позже, в начале двадцатого века, ученым пришлось признать: кванты электромагнитного поля одновременно и волны, и частицы. Как материальные объекты, они обладают массой и передают импульс. Но фотоны – необычные частицы. Масса покоя у них отсутствует. То есть фотоны существуют исключительно в движении сквозь пространство. Как только их поглощает вещество, они теряют свою индивидуальность.

Как волны, электромагнитные колебания имеют следующие свойства:

• частота;
• длина волны;
• амплитуда.

Наиболее часто встречающийся пример фотонов – свет.

Свет и цвет

Обычно при слове «свет» люди представляют потоки солнечных лучей. На взгляд человека они лишены цвета. Но длина волны и период электромагнитных колебаний задают оттенок. Почему же тогда лампа или солнце кажутся белыми? Этот эффект обусловлен смешением фотонов из всего спектра излучения источника. Когда электромагнитное излучение генерирует энергосберегающая лампа, свет человеку кажется «теплым» или «холодным», но белым. А на самом деле смесь газов испускает целый спектр фотонов с разной длиной волны.

Шкала волн: от Рентгена до радио

В зависимости от длины волны все электромагнитные волны разделены на несколько областей. Шкала электромагнитных колебаний включает в порядке уменьшения длины волны:

1. Радиоволны. Именно они передают нам звуки музыки, новости и фильмы. Речь идет не об интернет-каналах, а о традиционных радио и телевидении.
2. Терагерцовое (или микроволновое) излучение. До недавнего времени этот диапазон не выделялся из радиоволн. Генераторов терагерцовых волн просто не было. Но сейчас они существуют и приносят пользу: сканеры в аэропортах и на вокзалах используют именно этот диапазон. Такое излучение не вредно для человека, и оно хорошо выделяет железные объекты в сумках и пакетах путешественников.
3. Инфракрасное (или тепловое) излучение. Любое тепло переносится этими волнами. Костер, свеча, солнце, люди – это генераторы. Некоторые пустынные животные обладают инфракрасным зрением. Как правило, это ночные хищники, способные выделить более теплые тела живых существ на фоне остывших камней и песка.
4. Видимый спектр. Все цвета радуги, которые способен воспринимать человеческий глаз, относятся к данной области. На всей шкале видимый спектр занимает очень маленькую долю. Непонятно, почему эволюционный механизм присвоил нам способность видеть именно так.
5. Ультрафиолетовые волны. Загар человек получает именно благодаря им. Они полезны, ибо смертельно опасны: ультрафиолет эффективно убивает бактерии и микроорганизмы. А вот недостаток ультрафиолетовых лучей (например, у народов Севера) может вызвать серьезные проблемы со здоровьем.
6. Рентгеновские волны. Излучаются либо при торможении очень быстрых электронов, либо при «выбивании» электрона с внутренней оболочки большого атома. Полезны для исследования структуры вещества.
7. Гамма-лучи. Производятся при ядерной реакции.

Электромагнитные волны дальше ультрафиолетового диапазона вредны для человека. Однако есть гипотеза, что без них жизнь не смогла бы зародиться.

Рамки и горизонты

Не стоит думать, что раз есть шкала, в ней все четко и понятно. Границы диапазонов размыты. Например, рентгеновское излучение от гамма-лучей отличается только источником происхождения, а частоты спектров сильно перекрываются. Видимый спектр называется так потому, что эти длины волн способен воспринимать человеческий глаз. Но ведь все люди разные. Некоторые видят чуть больше красного, кто-то – фиолетового. Видимый спектр – это усредненная величина. Как и все человеческое, это понятие не лишено погрешностей.

Есть у глаза свойство спектральной чувствительности. Максимум лежит в области зеленого цвета, а края шкалы воспринимаются хуже. Поэтому края радуги кажутся размытыми, нечеткими. Капли воды во время дождя преломляют электромагнитное излучение всех длин волн, что испускает Солнце. Но человек видит только маленький отрезок этой шкалы. Тем более удивительно, что научное знание преодолело эти границы. Телескопы на орбите Земли видят инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-волны, которые испускают далекие галактики, черные дыры и квазары.